李莉

摘要：信息隱藏課程具有理論與實(shí)踐并重的特點(diǎn)。文章主要針對(duì)信息隱藏課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)改革，結(jié)合理論內(nèi)容設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，力圖使實(shí)驗(yàn)部分與理論部分有機(jī)結(jié)合，用實(shí)踐驗(yàn)證理論，加深對(duì)理論的認(rèn)知。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、研究型實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：信息隱藏;課程實(shí)驗(yàn);教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）44-0203-02

一、信息隱藏課程現(xiàn)狀

當(dāng)前，信息隱藏課程作為本科的高階選修課，普遍存在課程內(nèi)容針對(duì)性不強(qiáng)、實(shí)踐環(huán)節(jié)偏弱、應(yīng)用能力不強(qiáng)等問(wèn)題。隨著網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科的快速發(fā)展，對(duì)信息隱藏課程的教學(xué)目標(biāo)及課程定位都有所調(diào)整，不僅加深了基本理論和方法的學(xué)習(xí)程度，而且提高了對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的要求。信息隱藏技術(shù)是內(nèi)容安全方向的重要組成部分，信息隱藏課程是該方向中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科的整個(gè)課程體系中占有重要地位。信息隱藏是面向應(yīng)用的學(xué)科，學(xué)習(xí)的最終目的是用技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)，信息隱藏是不斷發(fā)展的前沿技術(shù)，尚未形成成熟的理論模型，需要學(xué)習(xí)者在現(xiàn)有的研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性研究。因此，急需對(duì)該課程進(jìn)行課程改革，豐富課程資源，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，突出實(shí)踐環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新性思維。

二、課程實(shí)驗(yàn)部分的模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)信息隱藏課程的特點(diǎn)，采用“課堂講授+線上學(xué)習(xí)+實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的方式，其中理論授課20課時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)20學(xué)時(shí)，線上自主學(xué)習(xí)10學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)課程共分為五大模塊，分別是空間域信息隱藏、變換域信息隱藏、隱寫分析、數(shù)字水印及水印攻擊、對(duì)抗性實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)施時(shí)分為10次實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了信息隱藏整個(gè)知識(shí)體系的大部分內(nèi)容，能夠滿足本科生層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具體見(jiàn)下表。

三、設(shè)計(jì)思路及目的

本部分將詳細(xì)描述五大模塊的設(shè)計(jì)思路及實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

模塊一：空間域信息隱藏。

實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2：目前成熟的信息隱藏算法大多是以圖像作為載體的，因此該系列實(shí)驗(yàn)都是基于圖像進(jìn)行的。在第1次實(shí)驗(yàn)中，主要讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用Matlab對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)的處理，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)2對(duì)替換技術(shù)的典型代表LSB方法進(jìn)行了實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路分為以下幾步：（1）實(shí)現(xiàn)LSB順序信息隱藏，載體圖像為灰度圖像;（2）基于安全性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行算法的改進(jìn);（3）隨機(jī)選取像素點(diǎn)，將消息隱蔽于LSB;（4）引導(dǎo)學(xué)生提出其他改進(jìn)算法。要求學(xué)生理解LSB（最低有效位）的含義，能夠用Matlab獲取圖像的LSB層，學(xué)會(huì)選取載體圖像像素點(diǎn)（順序選取/隨機(jī)選?。?，將其位置潛入秘密消息;能夠從隱蔽載體中提取和恢復(fù)秘密消息;進(jìn)一步考察算法的健壯性。

模塊二：變換域信息隱藏。

實(shí)驗(yàn)3：有必要掌握常見(jiàn)的數(shù)字信號(hào)處理的基本原理和特點(diǎn)，否則就無(wú)法深入理解相關(guān)信息隱藏算法，繼而無(wú)法在已有算法的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新。主要設(shè)計(jì)思路是通過(guò)實(shí)現(xiàn)圖像的DFT、DCT、DWT，讓學(xué)生理解變換域上的能力分布特征，并進(jìn)一步將這種特征與信息隱藏應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)。實(shí)驗(yàn)3的目的是理解信號(hào)的DFT、DCT、DWT的基本原理;會(huì)使用Matlab對(duì)圖像進(jìn)行DFT、DCT、DWT操作，并能夠從能量分布的角度對(duì)結(jié)果進(jìn)行定量分析;了解JPEG中的DCT編碼。

實(shí)驗(yàn)4：設(shè)計(jì)思路是通過(guò)對(duì)比固定位置的中頻系數(shù)、隨機(jī)挑選的中頻系數(shù)以及選擇最大的N個(gè)中頻系數(shù)三種嵌入方式，使學(xué)生學(xué)會(huì)如何在頻域選擇合適的嵌入位置。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆誅CT隱藏算法的Matlab實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整圖像塊中兩個(gè)DCT系數(shù)的相對(duì)大小嵌入秘密信息;能夠?qū)λ惴ǖ目刂茀?shù)與魯棒性和不可感知性的關(guān)系進(jìn)行分析和總結(jié)。

實(shí)驗(yàn)5：引導(dǎo)學(xué)生將空域LSB算法和DCT域算法相結(jié)合，即將空域的LSB應(yīng)用到JPEG圖像的DCT系數(shù)上，充分鍛煉學(xué)生的拓展性思維。學(xué)有余力的同學(xué)可以進(jìn)一步嘗試實(shí)現(xiàn)F5算法，增強(qiáng)其創(chuàng)新能力。該次實(shí)驗(yàn)的目的是理解基于JPEG的信息隱藏的原理;掌握J(rèn)Steg隱寫算法，能夠基于Matlab實(shí)現(xiàn)JSteg算法;了解F3、F4、F5隱寫算法。

模塊三：隱寫分析。

實(shí)驗(yàn)6和實(shí)驗(yàn)7：隱寫和隱寫分析既相互矛盾又相互促進(jìn)，被動(dòng)隱寫分析的主要目標(biāo)是揭示媒體中隱蔽信息的存在性。實(shí)驗(yàn)6的設(shè)計(jì)思路是分析順序LSB隱寫后圖像的特征;基于特征變化引導(dǎo)學(xué)生找到檢測(cè)思路;給出關(guān)鍵步驟的公式，用Matlab實(shí)現(xiàn)之;完成卡方分析算法;分析該算法的檢測(cè)效果;分析該算法的優(yōu)缺點(diǎn)。要求學(xué)生能夠分析順序LSB方法處理后的圖像的特征變化。實(shí)驗(yàn)7則對(duì)RS方法進(jìn)行了實(shí)踐。RS方法適合檢測(cè)隨機(jī)LSB隱寫，可以比較精確地估計(jì)隱藏信息長(zhǎng)度，它是基于隱寫前后圖像平衡度的變化來(lái)檢測(cè)秘密信息的。由于RS算法具有一定的難度，因此該次實(shí)驗(yàn)給出算法的核心代碼，學(xué)生在理解算法思想和掌握算法步驟的基礎(chǔ)上完善程序，實(shí)現(xiàn)RS算法。要求學(xué)生理解RS分析的原理。

模塊四：數(shù)字水印及水印攻擊。

實(shí)驗(yàn)8和實(shí)驗(yàn)9：實(shí)驗(yàn)8的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)實(shí)現(xiàn)一種基本的脆弱水印算法使學(xué)生建立應(yīng)用與算法的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)一步總結(jié)歸納可用于脆弱水印、半脆弱水印和魯棒性水印的方法。要求學(xué)生理解水印與隱寫的區(qū)別;理解脆弱水印和半脆弱水印的含義，掌握實(shí)現(xiàn)半脆弱水印和脆弱水印的原理。實(shí)驗(yàn)9主要學(xué)習(xí)Stirmark的使用。Stirmark是一個(gè)通用的水印基準(zhǔn)測(cè)試軟件，是目前使用最為廣泛的水印技術(shù)評(píng)測(cè)工具。要求學(xué)生掌握Stirmark的安裝和使用方法，學(xué)會(huì)使用Stirmark對(duì)水印圖像進(jìn)行剪切、旋轉(zhuǎn)、JPEG壓縮、中值濾波等攻擊，驗(yàn)證算法性能，能夠?qū)艚Y(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析。

模塊五：對(duì)抗性實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)10：本次實(shí)驗(yàn)是對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的檢驗(yàn)，首先將學(xué)生分成若干小組（最多3人），并兩兩結(jié)成對(duì)抗對(duì)。在第一輪對(duì)抗中，對(duì)抗對(duì)中的一組負(fù)責(zé)進(jìn)行秘密信息的隱藏，稱為隱藏組，另一組負(fù)責(zé)進(jìn)行秘密信息的檢測(cè)和提取，稱為檢測(cè)組。在第二輪對(duì)抗中，兩小組互換角色。對(duì)順利完成任務(wù)的小組加分，以最終累計(jì)得分作為小組得分。要求學(xué)生熟練掌握前期學(xué)習(xí)的內(nèi)容，能根據(jù)具體情景進(jìn)行靈活運(yùn)用，有針對(duì)性地采用適合的隱藏算法，并能進(jìn)行盲檢測(cè)、半盲檢測(cè)操作。

四、小結(jié)

本文主要針對(duì)信息隱藏課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)改革，重新梳理、擴(kuò)充、加深實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合理論內(nèi)容設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，將理論部分與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。用實(shí)踐驗(yàn)證理論，加深對(duì)理論的認(rèn)知，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、研究型實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。一定時(shí)期的課程實(shí)施實(shí)踐表明，該教學(xué)設(shè)計(jì)能夠一定程度提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

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